高密度電阻率方法在河道邊坡穩定隱患實時檢測及預警中的應用

劉 柳

(遼寧江河水利水電新技術設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110003)

1 概述

在常規電阻率探測基礎上逐步發展一種直流電的勘探技術，該技術結合電剖面和電測法并布設高密度點，通過電阻率探測的方式進行無損檢測的一種新方式[1]。該方法采用直流勘探的方式進行采集數據的改進，通過智能控制跑級對傳統人工跑級方式進行改進，實現數據采集的智能化、快速與自動化[2]。在進行野外測定，需要將所有采集點布設到測點上，通過自動轉換器對電極進行控制，可以得到不同裝置和極距的組合模式，在對電極采集的原始數據進行處理得到相關數學和物理模型，并對相關監測斷面進行正、反演處理后獲得相關參數數據信息[3]。這種方式可大大提高檢測的效率，并可直觀地對檢測斷面的穩定情況進行實時、在線檢測[4]。近些年來，該項技術在地質勘探、交通道路領域中得到推廣和應用[5- 13]，但是在河道邊坡穩定性檢測中應用還較少，當前，水利工程施工質量要求越來越高，對河道邊坡穩定性標準也逐年提升[14]，亟需對河道邊坡進行穩定性的實時、在線檢測，傳統檢測方式需要耗費大量人力和物力，且很難實現實時、在線檢測。為提高河道邊坡穩定檢測的效率，本文引入高密度電阻率方法，用于河道治理工程中邊坡穩定檢測實例中，對其檢測效果進行探討，成果對于河道治理工程邊坡穩定監測與預警體系建立提供參考。

2 高密度電阻率測定原理

高密度電阻率探測方法是在物體電阻測定的基礎上，對檢測目標單元與周圍物體之間的電極差異進行分析。通過觀測的電極分布與計算的電極分布來對目標單元進行檢測分析。通過直流電方法測定均勻大電阻率。在對均勻大電阻率進行測定的時候，需要對不同類型電源、電極進行布設和控制。當觀測目標距離控制電極的距離較小時，可以被設置為供電電源。假設電阻率對整個檢測空間進行均勻布設，在其檢測空間形成半圓形等位面，均勻介質在穩定流場需要滿足拉普拉斯方程：

Δ2U=0

(1)

對方程進行求解，電位的計算方程為:

(2)

結合疊加原理，在方程(2)的基礎上，對于不同源任何一個點位的電極計算方程為：

(3)

式中，U—測定的電位級；r—布設空間半徑，m；Δ—電位級差；I—回路電流，A；ρ—電阻率；A、B—供電電極；M、N—檢測電極。兩個電極之間的電位差計算方程為：

(4)

(5)

式中，K—裝置系數，其計算方程為：

(6)

上述方程均是在大地空間均質的基礎上對電阻率以及電位差進行的計算，而在實際工程中很難達到空間均質的計算要求，本文采用電阻率推算方法對各點電阻率計算基礎上進行加權平均計算，通過各測點距離和位置對電阻率的空間進行表征，通過正反演的方法對各電阻率進行計算，可以對河道邊坡的不穩定的空間位置、分布范圍以及演變趨勢進行檢測。

3 工程實例分析

本文以遼寧某河道治理工程為實例，開展邊坡穩定性檢測的試驗，為對治理河道的電阻率變化進行更好的試驗分析，試驗采樣3種含水率條件下的邊坡土體進行分析，并采用4種壓實度進行分析，重點分析各測定土體在飽和含水率條件下的電阻率變化，研究土體主要物理參數見表1。

表1 試驗土體和巖體參數表

4 試驗結論

4.1 最優土石比參數分析

采用擊實試驗對不同土石比最優含水率以及干密度進行確定，結果見表2，并對不同土石配比方案下的電阻率變化進行分析，結果見表3。

表3 不同參數下的電阻率變化試驗分析結果

對不同土石配比方案下的含水率及干密度進行分析，不同土石配比方案下的含水率最優值在6.9%～8.9%之間，干密度最優值在2.23～2.57g/cm3之間，從不同參數下的電阻率變化情況可看出，在飽水過程中電阻率響應變化主要可以劃分為3個階段，第一階段為電阻率快速遞減的階段，在河道邊坡首次吸水過程中電阻率下減幅度較大，土石配比及密實度越低，電阻率下降速率越大。這主要是因為河道邊坡的內部介質組成較為復雜，其內部高阻氣體被液態水逐步取代，此外由于孔隙水電阻率低于固體顆粒的電阻率，使得各檢測點在飽和水過程中電阻率下降速率十分明顯。隨著土層飽和含水率的增加，電阻率下降的速率有所減緩，隨著液態水逐步填充后，試件飽和度增加后，導電結構逐步趨于穩定，不同檢測點電阻率逐步下降。隨著土層飽和含水率的增加后，土層各檢測點內部電阻率逐步減小，趨于穩定變化。

4.2 電阻率與飽和度相關性試驗分析結果

為對不同電阻率和飽和度相關性進行分析，對不同土石配比方案下的飽和率與電阻率相關性進行分析，分析結果見表4—7。

表4 土石配比為8∶1條件下飽和率與電阻率的相關性檢驗結果

表5 土石配比為7∶2條件下飽和率與電阻率的相關性檢驗結果

表6 土石配比為5∶6條件下飽和率與電阻率的相關性檢驗結果

表7 土石配比為4∶7條件下飽和率與電阻率的相關性檢驗結果

從不同土石配比方案下飽和率與電阻率的相關性分析結果可看出，在飽水試驗下，飽和率與電阻率具有雙側顯著相關，置信水平可以達到99%以上，不同土石配比方案下飽和率與電阻率的相關度有所不同，當土石配合比為8∶1條件下密實度達到91%的情況下相關系數最大，而當土石比方案為4∶7，壓實密度為91%的條件下飽和率與電阻率的相關系數最低。

4.3 不同土石比配比方案下電阻率與壓實度的相關性分析結果

在相關性檢測的基礎上，對不同土石比配比方案下電阻率與壓實度的相關性進行分析，分析結果見表8。

表8 不同土石比配比方案下電阻率與壓實度的相關性分析結果

從相關性分析結果可看出，在飽水過程中，不同土石比和壓實度下的擬合判定系數均在0.656～0.935之間，其中擬合優度系數高于0.5的比例達到100%，擬合優度系數高于0.8的比例達到75.24%，擬合優度系數高于90%的比例達到54.35%，從不要土石比方案下的電阻率與壓實度的相關性分析結果可看出，土石配比為8∶1和7∶2條件下的整體相關程度要高于土石配比方案為4∶7和5∶6的電阻率與壓實度的相關性。在飽和含水條件下，受滲透水壓的作用下，電阻率變化影響十分顯著，在飽和含水初始階段，電阻率與壓實度的相關系數較小，孔隙水電阻率小于氣體引起的電阻率，使得電阻率發生明顯的變化。這也在一定程度上說明了電阻率隨著飽和含水率的變化而發生顯著變化，且電阻率隨著飽和含水率的增加而逐步遞減。

4.4 不同土石比配比方案浸水條件下相關試驗結果

考慮到工況條件下的電阻率、力以及邊坡位移的影響，對不同土石配比方案下的電阻率、力以及邊坡位移的相關性進行試驗分析，分析結果見表9—10。

表9 土石比配比方案為8∶1浸水條件下電阻率、力及邊坡位移的相關性分析結果

分別對不同土石配比方案下電阻率、力以及河道邊坡位移進行了95%水平下的雙側檢驗，從檢驗的結果可看出，以上三個因子存在雙側不顯著相關的水平。不同條件下各土石比配比方案下的力和邊坡位移的相關度有所不同，各檢測點力和邊坡位移的相關系數在0.929～0.946之間，當土石比達到5∶6的浸水條件下的相關系數最大，而土石比為8∶1的浸水條件下的相關系數最低，相關系數高于0.75的比例達到95%，表明邊坡在浸水過程中位移與受力之間的相關度較高，從表中還可看出，電阻率與邊坡位移，以及電阻率與受力之間的顯著相關性較低。

表10 土石比配比方案為5∶6浸水條件下電阻率、力及邊坡位移的相關性分析結果

4.5 不同工況條件下的電阻率變化率試驗結果

考慮到不同工況條件下對電阻率變化影響不同，對各土石比配比方案下三種工況條件下的電阻率變化進行統計試驗，結果見表11，并對正常工況條件下土石比與電阻率之間單因子的方差進行分析，結果見表12。

表11 不同土石比方案下各工況條件下的電阻率變化

表12 正常工況條件下土石比-電阻率單因子方差分析結果

從表11中可看出，在正常推剪及浸水工況條件下，隨著土石比的增加電阻率逐步遞減變化，而在正常浸水推剪過程中，邊坡檢測點的電阻率變化有所不同，當土石比配比率低于5∶6時，檢測點電阻變化率高于16%，而當土石比配比高于5∶6時，其電子變化率高于19%。考慮到河道邊坡穩定性系數一般在1.25左右，對于河道邊坡穩定性檢測的閾值應按照該系數進行折減后對研究河段邊坡的穩定監測閾值進行設定。

4.6 河道邊坡穩定實時檢測的圖像

按照電阻率分層分析方法，將試驗河段不同剖面二維電阻率按照不同像素進行處理，通過對同一剖面位置的圖像質心的的對比判定其邊坡穩定隱患的演變趨勢和變化速率，從而實現邊坡穩定隱患的實時檢測，不同采集次數下的實時檢測電阻率分析圖像如圖1所示。

將第一次圖像采集處理的試驗河段邊坡的電阻率分層圖像作為原始圖像，將其他相鄰采集次數下檢測同一河段剖面的二維電阻率分層圖像和原始圖像進行對比，當圖像質心點出現異常變化，則認定可能出現河道邊坡穩定隱患，從對比分析結果可看出，第一次原始圖像色彩對應的顏色的平均值為171.25，相比于第一次采集，第二次采集同一剖面段對應的顏色平均變化率為14.35%，小于設定的預警閾值，因此該段未發生明顯的失穩變化。第三次相比于第一次和第二次同一剖面段顏色均值變化率分別為15.23%和12.95%，也同樣小于失穩閾值，因此該段也未發生失穩變化。而第四次采集相比于前三次采集，電阻率對應顏色變化率分別低于16%，小于預警閾值20%。綜上分析通過四次采集后，研究河段未出現明顯的變化。

5 應用結論

(1)在采用高密度電阻率進行河道邊坡穩定隱患實時檢測時，須考慮邊坡土層飽和含水率對電阻率的影響，建議在正常推剪及浸水工況條件下進行電阻率數據采集和分層圖像處理。

(2)在進行邊坡穩定預警閾值確定時，應結合河道穩定性系數設計值(一般為1.25)按照0.8～0.9比例進行折減后進行預警閾值的綜合確定。

(3)河道邊坡土層檢測點電阻率影響因素較多，本文重點考慮了飽和含水率以及壓實度對其影響，在以后的研究中還應重點考慮其他因素比如土層干密度的影響。

圖1 不同試驗次數下檢測的電阻率分層圖像